EP4298660A1 - Procédé de préparation du résidu d'un substrat donneur ayant subi un prélèvement d'une couche par délamination - Google Patents

Procédé de préparation du résidu d'un substrat donneur ayant subi un prélèvement d'une couche par délamination

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EP4298660A1
EP4298660A1 EP22708987.7A EP22708987A EP4298660A1 EP 4298660 A1 EP4298660 A1 EP 4298660A1 EP 22708987 A EP22708987 A EP 22708987A EP 4298660 A1 EP4298660 A1 EP 4298660A1
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EP
European Patent Office
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residue
donor substrate
layer
peripheral
peripheral zone
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Isabelle HUYET
Luciana Capello
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Soitec SA
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Soitec SA
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Publication date
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    • H10W10/181—Semiconductor-on-insulator [SOI] isolation regions, e.g. buried oxide regions of SOI wafers

Definitions

  • TITLE PROCESS FOR PREPARATION OF THE RESIDUE OF A DONOR SUBSTRATE HAVING UNDERGONE A COLLECTION OF A LAYER BY DELAMINATION
  • the present invention relates to a process for the preparation of a donor substrate residue.
  • the document US20200186117 describes a process for preparing a thin layer which comprises the preliminary formation of a composite donor substrate consisting of a thick layer of a material on an intermediate support, the removal of a thin layer from the thick layer of the donor substrate and its transfer to a final support. Picking and posting are implemented through Smart CutTM technology.
  • This method of preparation is particularly appropriate when the material constituting the thin layer has a coefficient of thermal expansion which is very different from that constituting the final support.
  • the steps for removing and transferring the thin layer include the introduction of light species into the donor substrate, here in the thick layer of the composite donor substrate, through a so-called "main" face (or surface) of this substrate in order to to constitute a fragile buried plane.
  • the layer to be transferred is defined between this buried fragile plane and the main surface of the donor substrate.
  • the donor substrate is assembled by its main face to the final support, and a heat treatment is applied to the assembly, possibly supplemented by the application of forces mechanical, to detach the thin layer at the level of the fragile plane and transfer it to the final support.
  • the residue of the donor substrate that is to say the remaining part of this substrate after the thin layer has been removed, can be reconditioned in order to be used in another removal-reconditioning cycle.
  • Such processes for reconditioning a residue obtained at the end of the Smart CutTM process are known, for example documents EP1427002, EP1427001, US20090061545, US20100200854, US20180033609. These processes generally seek to eliminate a peripheral step, often referred to as a crown, corresponding to the peripheral portion of the donor substrate not transferred to the final support, and to prepare the main surface of the residue to eliminate the surface defects generated by the fracture of the material during fragile plane level.
  • the composite donor substrate tends to present a curvature giving it a generally convex force, the main surface (the exposed face of the thick layer) of this substrate being slightly curved outwards.
  • the donor substrate is brought into contact with the final support at the top of the convexity, located in a central portion of the main surface of this substrate.
  • a bonding wave is then initiated tending to bring the two surfaces which face each other into contact, this wave propagating concentrically from the initial point of contact towards the outer edges of the donor substrate and of the final support.
  • Such a configuration tends to cause bonding defects to appear at the interface between the donor substrate and the final support, these defects appearing in the form of bubbles of small dimensions arranged close to the edges of the assembly, at the end of propagation of the bonding wave.
  • the thin layer therefore in turn has defects, of the "hole" type, or a very irregular contour.
  • the Applicant has observed that the density of the holes in the thin layer or the irregular character of the outline of the thin layer, tended to increase with the degree of recycling of the donor substrate, that is to say the number of reconditioning sampling cycles that this substrate has undergone.
  • An object of the invention is to allow the use of a donor substrate a plurality of times, this multiple use however limiting the degradation of the quality of the thin layer removed and transferred as has been observed. when the methods of the state of the art are employed.
  • the invention is of particular interest when the donor substrate is a hybrid substrate, consisting of a thick layer placed on an intermediate support.
  • the object of the invention proposes a process for preparing the residue of a donor substrate, the donor substrate having undergone a removal of a layer by delamination at the level of a fragile plane formed by introducing light species, the residue comprising, on a peripheral zone of a main surface, a peripheral ring corresponding to a non-taken part of the donor substrate.
  • the process includes:
  • the second treatment step is subsequent to the first removal step;
  • the first step is implemented by grinding the peripheral crown;
  • the second stage is implemented by mechanical-chemical polishing of the main surface
  • the thickness of the surface layer removed is less than 5 microns
  • the ion attack comprises argon ions
  • the third rectification step aims to conform the peripheral zone to a determined profile
  • the peripheral zone has, at the end of the third grinding step, a maximum elevation which is less than or equal to the elevation of a mean elevation plane of the central portion;
  • the residue comprises a thick layer of material placed on an intermediate support
  • the material of the thick layer is a ferroelectric material.
  • the thick layer is assembled to the intermediate support via a layer of an adhesive material.
  • FIG. 2a represents a residue after the application of a first removal step of a preparation process in accordance with the invention
  • FIG. 2b represents a residue after the application of a second treatment step of a preparation process in accordance with the invention
  • FIG. 2c represents a reconditioned residue after the application of a preparation process in accordance with the invention
  • FIG. 3 represents the steps of a process for removing and transferring a thin layer that can exploit a residue prepared according to the invention.
  • Figures la and lb schematically represent a residue l' of a donor substrate, that is to say a substrate having undergone the removal of a thin layer by delamination at the level of a fragile plane formed by the introduction of light species, in accordance with the stages of a process implementing Smart Cut technology.
  • this residue 1' there is a peripheral crown 11, annular in the case of the example represented in which the residue 1' is in the form of a circular wafer, corresponding to a part not removed of the donor substrate.
  • the crown peripheral 11 resides in a peripheral zone 13 of residue 1' and corresponds to the portion of the thin layer defined in the donor substrate which has not entered into sufficient adhesion with the final support during the assembly step of the transfer and which, consequently, could not be taken from the donor substrate.
  • the fragile plane 3 defining this portion of thin layer not removed can be observed.
  • the peripheral crown 11 forms a step whose width l can be between 0.5 mm and 8 mm, and the height h can reach between 100 nm and 1.5 microns.
  • the peripheral zone has, on the main surface, a width l′ greater than that of the crown, typically 1 to 3 times the width 1 of the crown, and more generally comprised between 0.5 mm and 2.5 cm.
  • This surface state of the central portion 12 results from the step of removing the thin layer, the central portion 12 corresponding precisely to the fragile plane P, created by the light species introduced into the donor substrate, along which the thin layer has been taken.
  • the present invention aims to recondition such a residue 1′ to make it suitable for a new use in an application of a process for removing and transferring a thin layer implementing the Smart Cut process. More precisely, the present invention seeks to prevent the appearance of bonding defects, or to limit the density of these defects, at the periphery of the interface formed by the assembly of a reconditioned donor substrate (more precisely a reconditioned residue of a substrate donor) to a final support.
  • the process for preparing the residue 1′ comprises a first step of removing at least part of the peripheral crown 11.
  • This step can be implemented by grinding (“grinding” according to the Anglo-Saxon term usually employed in the field of substrate manufacturing).
  • a wheel of grinding equipment is provided with abrasive particles (for example diamond). It is positioned against the part of the main surface 10 of the residue to be treated, here the peripheral ring 11, and set in rotation relative to the residue so as to gradually eliminate the material constituting the ring 11, by mechanical abrasion.
  • This removal results in exposing the peripheral zone 13 of the residue 1', as can be seen in FIG. 2a representing the residue after the application of this first removal step.
  • the removal step can implement techniques other than the preferred grinding one. It may for example be a polishing technique, such as double-sided chemical-mechanical polishing (“double side polish” according to the established Anglo-Saxon expression).
  • the peripheral crown 11 is therefore at least partially removed, and the exposed surface 13 of the peripheral zone of the residue 1', can present an elevation substantially identical to that of the central portion 12 of the residue the.
  • the peripheral zone 13 is also particularly rough, especially when the removal of the crown was carried out by grinding.
  • the process for preparing the residue 1′ also provides for a second step during which the main face 10 of the residue 1′ is treated, that is to say the central portion 12 and the peripheral zone 13 of the residue 1′, to remove a surface layer 4 therefrom.
  • This surface layer 4 is thick enough to contain the work-hardened thickness of the central portion 12 and in general, to provide a surface condition of the main surface that is sufficiently smooth to allow its assembly by adhesion molecule to a final support.
  • This surface state can be characterized by a roughness of less than 0.5 nm (and advantageously less than 0.3 nm) in mean square value over a measurement field of 5 microns by 5 microns.
  • This second treatment step can be implemented by chemical-mechanical polishing (“Chemical Mechanical Polishing” according to the established Anglo-Saxon expression).
  • the thickness of the surface layer 4 removed can thus be between 100 nm and 5 microns.
  • the first removal step is separate from the second treatment step, the latter is carried out after the removal step.
  • these two steps can be implemented in a combined manner by a mechanical-chemical polishing technique of the exposed surface of the residue.
  • This “upward” tack can have multiple causes. It may be linked to an imperfect removal of the peripheral crown 11 during the first step of the process. But it can also be linked, even when the peripheral crown has been perfectly and entirely eliminated during this first step, to edge effects appearing during the second treatment step, in particular when the latter is implemented by mechanical-chemical polishing .
  • this profile does not prevent an assembly of the partially reconditioned residue of FIG. 2b by adhesion molecular weight to a final support during the repeated application of the process of picking up and transferring a thin layer. Its surface is in particular sufficiently flat and smooth for the contacting and propagation steps of a bonding wave to be able to be deployed. However, this “rising” edge drop tends to favor the appearance of the bonding defects which were mentioned in the introduction to this application.
  • the amplitude of the difference existing between the maximum elevation M in the peripheral zone 13 and the elevation of the mean plane E of the central portion 12 tends to increase with the degree of recycling of the donor substrate, c' ie the number of sampling-reconditioning cycles operated on the same donor substrate.
  • a process for preparing a residue in accordance with the invention provides for a third step of rectification of the peripheral zone 13, succeeding the second step of treatment of the main face 10, this third step aiming to reduce the elevation of this peripheral zone.
  • This third stage is distinct from the first and the third stage (and more generally these three stages are distinct from each other), i.e. they do not use the same technologies and the same equipment to apply to the residue the.
  • the peripheral zone 13 has a maximum elevation M' which is less than or equal to the elevation of the mean plane E of the central portion 12.
  • M' the elevation of the mean plane E of the central portion 12.
  • the experiments carried out tend to show that such edge fall, having a "descending" profile effectively makes it possible to reduce bonding defects.
  • FIG. 2c represents the residue l′ after having applied the 3 steps which have just been described to it, in the advantageous configuration of the rectification step according to which the peripheral zone 13 has a maximum elevation M′ that is less than or equal to l elevation of the mean plane E of the central portion 12.
  • this third rectification step seeks to conform the peripheral zone to a determined profile.
  • this step is advantageously carried out by a non-mechanical action (more precisely in the absence of any abrasive contact with an external tool), for example by chemical attack, or in a preferred by ion attack (“ion beam trimming” or “ion etching” according to the Anglo-Saxon terms of the field).
  • ions or clusters of ions are projected onto the peripheral zone 13 of the residue 1′ with sufficient energy, depending on the nature of the material of which the residue 1′ is made, to erode little by little (at the atomic level ) a superficial thickness of this zone.
  • the ions are advantageously heavy ions, such as argon, neon or krypton ions.
  • the ion beam is therefore directed towards the peripheral zone 13 to gradually and with great precision conform this area with a determined profile.
  • the ion beam is projected onto only part of the peripheral zone 13, and the beam can be moved relatively vis-à-vis the residue to progressively treat this entire zone, the passage time of the beam over part of the zone determining the amount of material removed. It is naturally possible to envisage carrying out several passes of the beam.
  • the substrate of FIG. 2c obtained at the end of the application of the third rectification step forms a reconditioned residue l' in accordance with the invention, which can therefore serve as donor substrate 1 in the renewed application of a thin layer sampling and transfer process.
  • This particular example generally aims to form a hybrid substrate 9 composed of a thin ferromagnetic layer 3 transferred onto a final support 7 of silicon. It is shown in Fig.
  • a composite donor substrate 1 is produced (step 3A of FIG. 3), formed of an intermediate support 1b of silicon in the form of a circular wafer 150 mm in diameter, and of a layer thick 1a, the thickness of which can be between 5 and 400 microns, of a ferroelectric material.
  • the ferroelectric material forming the thick layer la is monodomain, and consists for example of LiTa03, LiNb03, LiA103, BaTi03, PbZrTi03, KNb03, BaZr03, CaTi03, PbTi03 or KTa03.
  • the crystalline orientation of this material is chosen according to the intended application.
  • an orientation comprised between 30° and 60°RY, or between 40° and 50°RY, in the case where it is desired to exploit the properties of the thin layer 3 transferred to form a SAW filter.
  • the invention is in no way limited to a particular crystalline orientation.
  • the thick layer 1a has the same circular shape as the intermediate support and is substantially of the same dimension, so that the donor substrate 1 also has a circular shape 150 mm in diameter.
  • the precise production of this donor substrate 1 can follow the teachings provided by document US20200186117, cited in the introduction to this application.
  • the thick layer la is assembled to the silicon wafer forming the intermediate support lb by molecular adhesion. Provision could be made to insert between the silicon wafer lb and the thick layer la, a layer facilitating this adhesion (for example a silicon oxide or nitride).
  • the thick ferromagnetic layer la is maintained on the silicon wafer lb via a layer of an adhesive material, such as a polymer.
  • the composite donor substrate 1 is used as a donor substrate in a method implementing the Smart Cut technology.
  • a dose of light species is introduced on the side of the main face (the exposed face of the thick ferromagnetic layer 1a) of the composite substrate 1, leading to the formation of a buried fragile plane 2 in the thick layer 1a.
  • This plane defines, with the main face of the donor substrate, the thin ferromagnetic layer 3 to be sampled.
  • the nature, the dose of the implanted species and the implantation energy are chosen according to the thickness of the thin layer which it is desired to transfer and the physico-chemical properties of the thick layer 1a of the donor substrate 1.
  • the main face of the thick layer is assembled by molecular adhesion 1a, with an exposed face of a silicon wafer 150 mm in diameter, therefore similar to the wafer forming the intermediate support of the donor substrate 1.
  • This wafer forms the final support 7 of the thin layer 3.
  • the donor substrate 1 may have a convex shape, the vertex of the convexity facing outwards being placed on the side of the thick ferromagnetic layer. The deflection of this convexity can be of the order of 200 microns, for the 150mm wafer taken as an example. Accordingly, the donor substrate may have a vertex substantially disposed at the center of the substrate.
  • the top of the donor substrate 1 is brought into contact with the final support 7. Bonding is then initiated by applying a force to the edge of one of the substrates tending to bring them closer together. the other. This application of the force generates the propagation of the bonding wave in a substantially concentric manner from the top of the donor substrate 1 in contact with the final substrate, towards the peripheral edge of this substrate. This wave results in deforming the two substrates 1, 7 so that their surfaces come into intimate contact with each other.
  • the assembly formed by the donor substrate and the final support 7 is thermally and/or mechanically treated to cause the fracture of the donor substrate at the level of the fragile plane 2 to delaminate the thin layer 1, remove it and transfer it on the end support 7.
  • the residue 1 ' conforms to that of Figure 1.
  • This residue is prepared according to the steps described in the preceding general description.
  • the peripheral crown 11 is first removed by grinding, during the first removal step, to bring the elevation of the peripheral zone 13 in which this crown 11 resides to the level of the mean plane. of the central portion 12.
  • the entire main surface 10 of the residue that is to say the central portion 12 and the peripheral zone 13 is treated by chemical-mechanical polishing, to remove up to 1 micron of a surface layer and reduce the roughness of this surface less than 0.3 nm root mean square.
  • the third rectification step is applied to the peripheral zone, here on a peripheral portion of 1 cm taken from the edge of the wafer, by projecting an Argon ion beam in order to reduce the elevation of this peripheral portion .
  • the residue l' is perfectly reconditioned.
  • it has a "drooping" edge fall, that is to say that the maximum elevation in the peripheral zone 13 is located in or under the mean plane of elevation of the central portion 12.
  • the sampling-reconditioning cycles which have just been presented are reapplied to provide a plurality of hybrid substrates 9 each comprising a thin ferromagnetic layer 3 placed on a silicon wafer 7.
  • the number of cycles is limited by the remaining thickness of the thick layer 1a of the composite donor substrate 1, it can reach and even exceed 10 cycles, if the thick layer 1a is initially sufficiently thick, for example having a thickness close to 400 microns. It is observed that the hybrid substrates 9 obtained successively have levels of defectivity (in particular resulting from defect in bonding at the edges of the substrates) which is not necessarily increasing with the number of cycles, that is to say with the degree of recycling of the composite donor substrate.
  • the invention applies to any type of donor substrate having undergone a removal of a layer by delamination at the level of a fragile plane formed by the introduction of light species. It is not necessary for this donor substrate to be of the “composite” type, formed of a thick layer resting on an intermediate substrate.
  • This donor substrate can also be of any nature compatible with this type of layer removal. It may in particular be composed of any semiconductor material, for example silicon, silicon carbide, germanium, etc.
  • the substrates can generally be in any suitable form, and the invention is in no way limited to circular wafers as has been taken by way of example.

Landscapes

  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
  • Manufacturing Of Magnetic Record Carriers (AREA)
  • Grinding Of Cylindrical And Plane Surfaces (AREA)

Abstract

L'invention porte sur un procédé de préparation du résidu (1') d'un substrat donneur, le résidu (1') comprenant, sur une zone périphérique (13) d'une face principale (10), une couronne périphérique. Le procédé comprend : une première étape d'enlèvement d'une partie au moins de la couronne périphérique; une deuxième étape de traitement de la face principale (10) du résidu (1') visant à éliminer une couche superficielle; une troisième étape de rectification, postérieure à la deuxième étape, de la zone périphérique (13) de la face principale (10) du résidu (1'), la troisième étape de rectification visant à réduire l'élévation de la zone périphérique (13).

Description

DESCRIPTION
TITRE : PROCEDE DE PREPARATION DU RESIDU D'UN SUBSTRAT DONNEUR AYANT SUBI UN PRELEVEMENT D'UNE COUCHE PAR DELAMINATION
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de préparation d'un résidu de substrat donneur.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
Le document US20200186117 décrit un procédé de préparation d'une couche mince qui comprend la formation préliminaire d'un substrat donneur composite constitué d'une couche épaisse d'un matériau sur un support intermédiaire, le prélèvement d'une couche mince dans la couche épaisse du substrat donneur et son report sur un support final. Le prélèvement et le report sont mis en œuvre par l'intermédiaire de la technologie Smart Cut™.
Ce procédé de préparation est particulièrement approprié lorsque le matériau constituant la couche mince présente un coefficient de dilatation thermique bien différent de celui constituant le support final.
Les étapes de prélèvement et de report de la couche mince comprennent l'introduction d'espèces légères dans le substrat donneur, ici dans la couche épaisse du substrat donneur composite, à travers une face (ou surface) dite « principale » de ce substrat afin de constituer un plan fragile enterré. La couche à reporter est définie entre ce plan fragile enterré et la surface principale du substrat donneur. Dans une étape suivante, le substrat donneur est assemblé par sa face principale au support final, et on applique un traitement thermique de l'ensemble, éventuellement complété par l'application d'efforts mécaniques, pour détacher la couche mince au niveau du plan fragile et la reporter sur le support final.
Le résidu du substrat donneur, c'est-à-dire la partie restante de ce substrat après que la couche mince ait été prélevée, peut être reconditionné afin d'être exploité dans un autre cycle de prélèvement - reconditionnement. On connaît de tels procédés de reconditionnement d'un résidu obtenu à l'issue du procédé Smart Cut™, par exemple documents EP1427002, EP1427001, US20090061545, US20100200854, US20180033609. Ces procédés cherchent généralement à éliminer une marche périphérique, souvent désignée couronne, correspondant à la portion périphérique du substrat donneur non transférée sur le support final, et à préparer la surface principale du résidu pour éliminer les défauts de surface engendrés par la fracture du matériau au niveau du plan fragile.
Dans le cas du procédé proposé dans le document US20200186117, la couche épaisse et le support intermédiaire présentant des coefficients de dilatation thermique différents, le substrat donneur composite tend à présenter une courbure lui donnant une force généralement convexe, la surface principale (la face exposée de la couche épaisse) de ce substrat étant légèrement courbée vers l'extérieur.
Lorsque l'étape d'assemblage est réalisée par adhésion moléculaire, le substrat donneur est mis en contact avec le support final au niveau du sommet de la convexité, situé dans une portion centrale de la surface principale de ce substrat. On initie ensuite une onde de collage tendant à mettre en contact les deux surfaces qui se font face, cette onde se propageant concentriquement du point de contact initial vers les bords extérieur du substrat donneur et du support final. Une telle configuration tend à faire apparaître des défauts de collage à l'interface entre le substrat donneur et le support final, ces défauts se présentant sous la forme de bulles de petites dimensions disposées proches des bords de l'assemblage, à l'extrémité de propagation de l'onde de collage. Ces bulles préviennent localement la bonne adhésion du substrat donneur au support final, et en conséquence les portions de la couche mince surplombant ces défauts ou leurs voisinages ne sont pas parfaitement prélevées et reportées sur le support final. La couche mince présente donc à son tour des défauts, de type « trou », ou un contour très irrégulier.
La demanderesse a observé que la densité des trous dans la couche mince ou le caractère irrégulier du contour de la couche mince, tendait à croître avec le degré de recyclage du substrat donneur, c'est à dire le nombre de cycles de prélèvement reconditionnement que ce substrat a subi.
Bien entendu, cette défectuosité n'est pas souhaitable et si elle excède un seuil spécifié, le substrat hybride composé de la couche mince et du support final ne peut être exploité. Dans le même temps, il est économiquement avantageux de pouvoir utiliser un même substrat donneur un grand nombre de fois, notamment lorsqu'un substrat donneur composite est exploité, car celui est bien plus onéreux à préparer comparativement au coût du reconditionnement d'un résidu.
OBJET DE L' INVENTION
Un but de l'invention est de permettre l'utilisation d'un substrat donneur une pluralité de fois, cette utilisation multiple limitant toutefois la dégradation de la qualité de la couche mince prélevée et reportée tel que cela a été observé lorsque les procédés de l'état de la technique sont employés. L'invention trouve un intérêt tout particulier lorsque le substrat donneur est un substrat hybride, constitué d'une couche épaisse disposée sur un support intermédiaire.
BREVE DESCRIPTION DE L' INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, l'objet de l'invention propose un procédé de préparation du résidu d'un substrat donneur, le substrat donneur ayant subi un prélèvement d'une couche par délamination au niveau d'un plan fragile formé par introduction d'espèces légères, le résidu comprenant, sur une zone périphérique d'une surface principale, une couronne périphérique correspondant à une partie non prélevée du substrat donneur.
Le procédé comprend :
- une première étape d'enlèvement d'une partie au moins de la couronne périphérique ;
- une deuxième étape de traitement de la surface principale du résidu visant à éliminer une couche superficielle ;
- une troisième étape de rectification par attaque ionique, postérieure à la deuxième étape, de la zone périphérique de la surface principale du résidu, la troisième étape de rectification visant à réduire l'élévation de la zone périphérique .
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable : la deuxième étape de traitement est postérieure à la première étape d'enlèvement ; - la première étape est mise en œuvre par meulage de la couronne périphérique ;
- la deuxième étape est mise en œuvre par polissage mécano- chimique de la surface principale ;
- l'épaisseur de la couche superficielle éliminée est inférieure à 5 microns ;
- l'attaque ionique comprend des ions d'argon ;
- la troisième étape de rectification vise à conformer la zone périphérique à un profil déterminé ;
- la zone périphérique présente, à l'issue de la troisième étape de rectification, une élévation maximale qui est inférieure ou égale à l'élévation d'un plan moyen d'élévation de la portion centrale ;
- le résidu comprend une couche épaisse de matériau disposé sur un support intermédiaire ;
- le matériau de la couche épaisse est un matériau ferroélectrique.
- la couche épaisse est assemblée au support intermédiaire par l'intermédiaire d'une couche d'un matériau adhésif.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels :
[Fig. la] [Fig. lb] La figure la et lb représentent schématiquement un résidu d'un substrat donneur ;
[Fig. 2a] La figure 2a représente un résidu après l'application d'une première étape d'enlèvement d'un procédé de préparation conforme à l'invention ;
[Fig. 2b] La figure 2b représente un résidu après l'application d'une deuxième étape de traitement d'un procédé de préparation conforme à l'invention ;
[Fig. 2c] La figure 2c représente un résidu reconditionné après l'application d'un procédé de préparation conforme à l'invention ;
[Fig. 3] La figure 3 représente les étapes d'un procédé de prélèvement et de report d'une couche mince pouvant exploiter un résidu préparé selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION
Les figures la et lb représentent schématiquement un résidu l' d'un substrat donneur, c'est-à-dire un substrat ayant subi le prélèvement d'une couche mince par délamination au niveau d'un plan fragile formé par l'introduction d'espèces légères, conformément aux étapes d'un procédé mettant en œuvre la technologie Smart Cut.
Sur la face principale 10 de ce résidu 1', on retrouve une couronne périphérique 11, annulaire dans le cas de l'exemple représenté dans lequel le résidu l' se présente sous la forme d'une plaquette circulaire, correspondant à une partie non prélevée du substrat donneur. Plus précisément, la couronne périphérique 11 réside dans une zone périphérique 13 du résidu 1' et correspond à la portion de la couche mince définie dans le substrat donneur qui n'est pas entrée en adhésion suffisante avec le support final lors de l'étape d'assemblage du procédé de report et qui, en conséquence, n'a pu être prélevée du substrat donneur. On observe sur la coupe de la figure la, sous la couronne périphérique 11, le plan fragile 3 définissant cette portion de couche mince non prélevée.
La couronne périphérique 11 forme une marche dont la largeur 1 peut être comprise entre 0,5 mm et 8 mm, et la hauteur h atteindre entre 100 nm et 1,5 micron. La zone périphérique présente, à la surface principale, une largeur l' supérieure à celle de la couronne, typiquement 1 à 3 fois la largeur 1 de la couronne, et plus généralement comprise entre 0,5mm et 2,5 cm.
La présence de cette marche ne permet pas d'exploiter directement le résidu l' pour en prélever une nouvelle couche mince. Par ailleurs, une portion centrale 12 de la surface principale 10, c'est à dire la surface contenue à l'intérieure de la couronne périphérique 11 de la zone périphérique 13, présente un état de surface particulièrement rugueux et une épaisseur superficielle écrouie, qu'il est également nécessaire de préparer avant une nouvelle utilisation du résidu l'. Cet état de surface de la portion centrale 12 résulte de l'étape de prélèvement de la couche mince, la portion centrale 12 correspondant précisément au plan fragile P, créé par les espèces légères introduites dans le substrat donneur, le long duquel la couche mince a été prélevée.
La présente invention vise à reconditionner un tel résidu l' pour le rendre apte à une nouvelle utilisation dans une application d'un procédé de prélèvement et de report d'une couche mince mettant en œuvre le procédé Smart Cut. Plus précisément, la présente invention cherche à prévenir l'apparition de défauts de collage, ou à limiter la densité de ces défauts, en périphérie de l'interface formée de l'assemblage d'un substrat donneur reconditionné (plus précisément un résidu reconditionné d'un substrat donneur) à un support final.
Le procédé de préparation du résidu l' comprend une première étape d'enlèvement d'une partie au moins de la couronne périphérique 11. Cette étape peut être mise en œuvre par meulage (« grinding » selon le terme anglo-saxon usuellement employé dans le domaine de la fabrication des substrats). Dans un tel mode de mise en œuvre, une roue d'un équipement de meulage est munie de particules abrasives (par exemple en diamant). Elle est positionnée contre la partie de la surface principale 10 du résidu à traiter, ici la couronne périphérique 11, et mise en rotation relativement au résidu de sorte à progressivement éliminer la matière constituant la couronne 11, par abrasion mécanique. Cet enlèvement conduit à exposer la zone périphérique 13 du résidu 1', comme cela est visible sur la figure 2a représentant le résidu après l'application de cette première étape d'enlèvement.
L'étape d'enlèvement peut mettre en œuvre d'autres techniques que celle, préférée, de meulage. Il peut par exemple s'agir d'une technique de polissage, telle qu'un polissage mécano-chimique double face (« double side polish » selon l'expression anglo- saxonne consacrée).
A l'issue de cette première étape d'enlèvement, la couronne périphérique 11 est donc au moins partiellement éliminée, et la surface exposée 13 de la zone périphérique du résidu 1', peut présenter une élévation sensiblement identique à celle de la portion centrale 12 du résidu l'. La zone périphérique 13 est également particulièrement rugueuse, notamment lorsque l'enlèvement de la couronne a été réalisé par meulage.
Aussi, le procédé de préparation du résidu l' prévoit également une seconde étape au cours de laquelle on traite la face principale 10 du résidu 1', c'est à dire la portion centrale 12 et la zone périphérique 13 du résidu 1', pour en éliminer une couche superficielle 4. Cette couche superficielle 4 est suffisamment épaisse pour contenir l'épaisseur écrouie de la portion centrale 12 et d'une manière générale, pour fournir un état de surface de la surface principale suffisamment lisse pour permettre son assemblage par adhésion moléculaire à un support final. Cet état de surface peut être caractérisé par une rugosité inférieure à 0,5 nm (et avantageusement inférieure à 0,3 nm) en valeur quadratique moyenne sur un champ de mesure de 5 microns par 5 microns. Cette deuxième étape de traitement peut être mise en œuvre par polissage mécano-chimique (« Chemical Mechanical Polishing » selon l'expression anglo-saxonne consacrée). L'épaisseur de la couche superficielle 4 éliminée peut ainsi être comprise entre 100 nm et 5 microns.
Lorsque la première étape d'enlèvement est distincte de la deuxième étape de traitement, cette dernière est réalisée postérieurement à l'étape d'enlèvement. Alternativement, ces deux étapes peuvent être mise en œuvre de manière combinée par une technique de polissage mécano-chimique de la surface exposée du résidu.
On peut également envisager que ces deux étapes soient chacune réalisées par une technique de polissage mécano-chimique, mais chacune de ces étapes étant conduites avec des paramètres et/ou des consommables (notamment des tissus de polissage) distinct. En tout état de cause, à l'issue de la seconde étape de traitement de la face principale 10 du résidu, et comme cela est représenté sur la figure 2b, on dispose d'un résidu l' partiellement reconditionné, présentant une surface principale 10 suffisamment lisse et plane pour permettre son adhésion à un autre substrat par adhésion moléculaire.
Toutefois, une inspection attentive du résidu l' à l'issue de la deuxième étape de traitement révèle qu'il présente une tombée de bord « remontante », c'est à dire que le profil d'élévation de la surface exposée de ce substrat, dans sa zone périphérique 13, présente un maximum M supérieur à l'élévation d'un plan moyen E de la partie de la portion centrale 12 de ce substrat, comprise à l'intérieure de la zone périphérique 13. Ce profil d'élévation de la surface périphérique 3 définissant la tombée de bord, peut être constaté en observant un profil d'élévation de la surface exposée élaboré selon plusieurs rayons distincts et, généralement, selon toutes les directions angulaires de ces rayons. Le point d'élévation maximum M de la zone périphérique peut ainsi s'élever jusqu'à 500nm au-dessus du plan moyen E du reste de la portion centrale 12 de ce substrat (i.e. la portion comprise à l'intérieure de la zone périphérique 13).
Cette tombée de bord « remontante » peut avoir de multiples causes. Elle peut être liée à un enlèvement imparfait de la couronne périphérique 11 au cours de la première étape du procédé. Mais elle peut être également liée, même lorsque la couronne périphérique a été parfaitement et entièrement éliminée au cours de cette première étape, à des effets de bord apparaissant au cours de la deuxième étape de traitement, notamment lorsque celle-ci est mise en œuvre par polissage mécano-chimique .
On note que ce profil n'empêche pas un assemblage du résidu partiellement reconditionné de la figure 2b par adhésion moléculaire à un support final lors de l'application renouvelée du procédé de prélèvement et de report d'une couche mince. Sa surface est notamment suffisamment plane et lisse pour que les étapes de mise en contact et de propagation d'une onde de collage puissent être déployées. Toutefois, cette tombée de bord « remontante » tend à favoriser l'apparition des défauts de collage dont on a fait mention en introduction de cette demande.
Par ailleurs, l'amplitude de l'écart existant entre le maximum d'élévation M dans la zone périphérique 13 et l'élévation du plan moyen E de la portion centrale 12 tend à augmenter avec le degré de recyclage du substrat donneur, c'est à dire le nombre de cycles de prélèvement-reconditionnement opéré sur un même substrat donneur.
Aussi, pour prévenir ce phénomène et permettre la réutilisation d'un tel substrat donneur un grand nombre de fois (préférentiellement plus de 3 fois, ou 5 fois, voire même 10 fois), un procédé de préparation d'un résidu conforme à l'invention prévoit une troisième étape de rectification de la zone périphérique 13, succédant à la deuxième étape de traitement de la face principale 10, cette troisième étape visant à réduire l'élévation de cette zone périphérique.
Cette troisième étape est distincte de la première et de la troisième étape (et plus généralement ces trois étapes sont distinctes les unes des autres), c'est à dire qu'elles n'emploient pas les mêmes technologies et les mêmes équipements pour s'appliquer au résidu l'.
Avantageusement, à l'issue de la troisième étape, la zone périphérique 13 présente une élévation maximale M' qui est inférieure ou égale à l'élévation du plan moyen E de la portion centrale 12. Les expérimentations menées tendent à montrer que telle tombée de bord, présentant un profil « descendant » permet effectivement de réduire la défectivité de collage. La figure 2c représente le résidu l' après lui avoir appliqué les 3 étapes qui viennent d'être décrite, dans la configuration avantageuse de l'étape de rectification selon laquelle la zone périphérique 13 présente une élévation maximale M' est inférieure ou égale à l'élévation du plan moyen E de la portion centrale 12.
On note qu'une simple diminution de l'élévation maximale M' de la zone périphérique par rapport à son élévation à l'issue de la deuxième étape, même restant supérieure à celle du plan moyen E, peut être suffisant pour contenir l'apparition croissante, avec le degré de recyclage, des défauts de collage. D'une manière très générale donc, cette troisième étape de rectification cherche à conformer la zone périphérique à un profil déterminé.
Pour permettre la rectification de la zone périphérique 13 avec la précision nécessaire, cette étape est avantageusement réalisée par une action non mécanique (plus précisément en l'absence de tout contact abrasif avec un outil extérieur), par exemple par attaque chimique, ou de manière préférée par attaque ionique (« ion beam trimming » ou « ion etching » selon les termes anglo-saxons du domaine).
Selon cette approche, on projette sur la zone périphérique 13 du résidu l' des ions ou des amas d'ions avec une énergie suffisante, selon la nature du matériau dont est constitué le résidu 1', pour éroder peu à peu (au niveau atomique) une épaisseur superficielle de cette zone. Les ions sont avantageusement des ions lourds, tels que des ions d'argon, de néon ou de krypton.
Le faisceau d'ion est donc dirigé vers la zone périphérique 13 pour progressivement et avec grande précision conformer cette zone au profil déterminé. Le faisceau d'ions se projette sur une partie seulement de la zone périphérique 13, et on peut déplacer relativement le faisceau vis-à-vis du résidu pour traiter progressivement toute cette zone, le temps de passage du faisceau sur une partie de la zone déterminant la quantité de matière enlevée. On peut naturellement envisager d'effectuer plusieurs passages du faisceau.
On peut prévoir de placer un masque, par exemple en résine, en dehors de la zone périphérique 13 pour éviter de dégrader les caractéristiques de la zone centrale 12 lors de l'application de la troisième étape de rectification.
On peut prévoir une ou plusieurs étapes d'inspection du résidu 1', avant, en cours et/ou après la troisième étape de rectification de manière à relever le profil d'élévation de la zone périphérique 13 et de la zone centrale 12. On peut de la sorte ajuster les paramètres de l'attaque ionique (ou plus généralement de la troisième étape de rectification) pour effectivement contrôler et reproduire sur le résidu l' le profil d'élévation déterminé.
Le substrat de la figure 2c obtenu à l'issue de l'application de la troisième étape de rectification, forme un résidu l' reconditionné conforme à l'invention, qui peut donc servir de substrat donneur 1 dans l'application renouvelée d'un procédé de prélèvement et de report de couche mince.
Exemple d'application
Cet exemple particulier vise généralement à former un substrat hybride 9 composé d'une couche mince ferromagnétique 3 reportée sur un support final 7 en silicium. Il est illustré sur la figure
3. On réalise tout d'abord un substrat donneur composite 1 (étape 3A de la figure 3), formé d'un support intermédiaire lb en silicium se présentant sous la forme d'une plaquette circulaire de 150 mm de diamètre, et d'une couche épaisse la, dont l'épaisseur peut être comprise entre 5 et 400 microns, d'un matériau ferroélectrique. Le matériau ferroélectrique formant la couche épaisse la est monodomaine, et constitué par exemple de LiTa03, LiNb03, LiA103, BaTi03, PbZrTi03, KNb03, BaZr03, CaTi03, PbTi03 ou de KTa03. L'orientation cristalline de ce matériau est choisie en fonction de l'application visée. Ainsi, il est usuel de choisir une orientation comprise entre 30° et 60°RY, ou entre 40° et 50°RY, dans le cas où l'on souhaite exploiter les propriétés de la couche mince 3 reportée pour former un filtre SAW. Mais l'invention n'est nullement limitée à une orientation cristalline particulière.
Dans cet exemple, la couche épaisse la présente la même forme circulaire que le support intermédiaire et est sensiblement de la même dimension, si bien que le substrat donneur 1 présente une forme également circulaire de 150mm de diamètre. La réalisation précise de ce substrat donneur 1 peut suivre les enseignements fournis par le document US20200186117, cité en introduction de cette demande.
Ainsi, et selon une première approche, la couche épaisse la est assemblée à la plaquette de silicium formant le support intermédiaire lb par adhésion moléculaire. On a pu prévoir d'insérer entre la plaquette de silicium lb et la couche épaisse la, une couche facilitant cette adhésion (par exemple un oxyde ou un nitrure de silicium). Selon une autre approche, la couche épaisse ferromagnétique la est maintenue sur la plaquette de silicium lb par l'intermédiaire d'une couche d'un matériau adhésif, tel qu'un polymère.
On peut prévoir de rectifier le profil d'élévation de la surface libre de la couche épaisse ferromagnétique, tout comme cela a été proposé dans la troisième étape de rectification d'un résidu 1', pour donner un profil déterminé au substrat donneur, par exemple une tombée de bord « tombante » comme cela a été présenté antérieurement. On s'assure de la sorte de la qualité de collage lors de la première itération d'un procédé de prélèvement de couche.
Quelle que soit l'approche choisie pour assembler la couche épaisse ferromagnétique à la plaquette de silicium, le substrat donneur composite 1 est employé comme substrat donneur dans un procédé mettant en œuvre la technologie Smart Cut. A cet effet, on introduit du côté de la face principale (la face exposée de la couche épaisse ferromagnétique la) du substrat composite 1 une dose d'espèce légère conduisant à former un plan fragile enterré 2 dans la couche épaisse la. Ce plan défini, avec la face principale du substrat donneur, la couche mince ferromagnétique 3 à prélever. La nature, la dose des espèces implantées et l'énergie d'implantation sont choisies en fonction de l'épaisseur de la couche mince que l'on souhaite transférer et des propriétés physico-chimiques de la couche épaisse la du substrat donneur 1. Dans le cas d'une couche épaisse en LiTa03, on pourra ainsi choisir d'implanter une dose d'hydrogène comprise entre 1E16 et 5E17 at/cm2 avec une énergie comprise entre 30 et 250keV pour délimiter une couche mince 3 de l'ordre de 200 à 1500 nm.
Dans une étape suivante 3C du procédé de prélèvement, on assemble par adhésion moléculaire la face principale de la couche épaisse la, avec une face exposée d'une plaquette de silicium de 150 mm de diamètre, similaire donc à la plaquette formant le support intermédiaire du substrat donneur 1. Cette plaquette forme le support final 7 de la couche mince 3. Comme on l'a déjà présenté dans l'introduction de cette demande, le substrat donneur 1 peut présenter une forme convexe, le sommet de la convexité tourné vers l'extérieur étant disposé du côté de la couche épaisse ferromagnétique. La flèche de cette convexité peut être de l'ordre de 200 microns, pour la plaquette de 150mm prise en exemple. En conséquence, le substrat donneur peut présenter un sommet sensiblement disposé au centre du substrat.
Au cours de l'étape d'assemblage, on met en contact le sommet du substrat donneur 1 avec le support final 7. On initie ensuite le collage en appliquant un effort sur le bord d'un des substrats tendant à les rapprocher l'un de l'autre. Cette application de l'effort engendre la propagation de l'onde de collage de manière sensiblement concentrique du sommet du substrat donneur 1 en contact avec le substrat final, vers le bord périphérique de ce substrat. Cette onde conduit à déformer les deux substrats 1, 7 pour que leurs surfaces entrent en contact intime l'une avec 1'autre.
Dans une étape suivante 3D, l'ensemble formé du substrat donneur et du support final 7 est traité thermiquement et/ou mécaniquement pour provoquer la fracture du substrat donneur au niveau du plan fragile 2 pour délaminer la couche mince 1, la prélever et la reporter sur le support final 7.
On obtient ainsi, d'une part, un premier substrat hybride 9 formé de la couche mince ferromagnétique 3 prélevée de la couche épaisse la et de la plaquette de silicium formant le support final 7. D'autre part, on obtient également le résidu l' conforme à celui de la figure 1. Ce résidu l' est préparé conformément aux étapes décrites dans la description générale précédente. Dans cet exemple précis, on élimine tout d'abord par meulage, au cours de la première étape d'enlèvement, la couronne périphérique 11, pour amener l'élévation de la zone périphérique 13 dans laquelle réside cette couronne 11 au niveau du plan moyen de la portion centrale 12. Puis on traite par polissage mécano-chimique toute la surface principale 10 du résidu, c'est à dire la portion centrale 12 et la zone périphérique 13, pour enlever jusque 1 micron d'une couche superficielle et réduire la rugosité de cette surface à moins de 0,3 nm en valeur quadratique moyenne. Enfin, on applique la troisième étape de rectification à la zone périphérique, ici sur une portion périphérique de 1 cm pris depuis le bord de la plaquette, en projetant un faisceau d'ion d'Argon afin de réduire l'élévation de cette portion périphérique.
A l'issue de ces étapes, le résidu l' est parfaitement reconditionné. Outre une rugosité de surface compatible avec une étape d'assemblage par adhésion moléculaire, il présente une tombée de bord « tombante », c'est à dire que l'élévation maximale dans la zone périphérique 13 se situe dans ou sous le plan moyen d'élévation de la portion centrale 12.
Dans un cycle suivant d'exploitation de ce substrat reconditionné, on réapplique des cycles de prélèvement- reconditionnement qui viennent d'être présentées pour fournir une pluralité de substrats hybrides 9 comportant chacun une couche mince ferromagnétique 3 disposée sur une plaquette de silicium 7. Le nombre de cycles est limité par l'épaisseur restante de couche épaisse la du substrat donneur composite 1, il peut atteindre et voire dépasser 10 cycles, si la couche épaisse la est initialement suffisamment épaisse, par exemple présenter une épaisseur proche de 400 microns. On observe que les substrats hybrides 9 obtenus successivement présentent des niveaux de défectivité (notamment issu de défaut de collage en bords des substrats) qui n'est pas nécessairement croissant avec le nombre de cycles, c'est à dire avec le degré de recyclage du substrat donneur composite.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en œuvre et à l'exemple décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.
Ainsi, l'invention s'applique à tout type de substrat donneur ayant subi un prélèvement d'une couche par délamination au niveau d'un plan fragile formé par introduction d'espèces légères. Il n'est pas nécessaire que ce substrat donneur soit du type « composite », formé d'une couche épaisse reposant sur un substrat intermédiaire.
Ce substrat donneur peut également être de toute nature compatible avec ce type de prélèvement de couche. Il peut notamment être composé de tout matériau semi-conducteur, par exemple en silicium, en carbure de silicium, en germanium, etc.
Les substrats peuvent d'une manière générale se présenter sous toute forme qui convient, et l'invention n'est nullement limitée à des plaquettes circulaires comme cela a été pris à titre d'exemple.

Claims

REVENDICATIONS
1.Procédé de préparation du résidu (1') d'un substrat donneur (1), le substrat donneur (1) ayant subi un prélèvement d'une couche mince (3) par délamination au niveau d'un plan fragile (2) formé par introduction d'espèces légères, le résidu (1') comprenant, sur une zone périphérique (13) d'une face principale (10), une couronne périphérique (11) correspondant à une partie non prélevée du substrat donneur (1), et le procédé comprenant :
- une première étape d'enlèvement d'une partie au moins de la couronne périphérique (11);
- une deuxième étape de traitement de la face principale (10) du résidu (1') visant à éliminer une couche superficielle (4);
- une troisième étape de rectification par attaque ionique, postérieure à la deuxième étape, de la zone périphérique (13) de la face principale (10) du résidu (1'), la troisième étape de rectification visant à réduire l'élévation de la zone périphérique (13).
2.Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel la deuxième étape de traitement est postérieure à la première étape d'enlèvement.
3.Procédé de préparation selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première étape est mise en œuvre par meulage de la couronne périphérique (11).
4.Procédé de préparation selon l'une des revendications précédentes dans lequel la deuxième étape est mise en œuvre par polissage mécano-chimique de la surface principale (10).
5.Procédé de préparation selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'épaisseur de la couche superficielle (4) éliminée est inférieure à 5 microns.
6. Procédé de préparation selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'attaque ionique comprend des ions d' argon.
7. Procédé de préparation selon l'une des revendications précédentes dans lequel la troisième étape de rectification vise à conformer la zone périphérique (13) à un profil déterminé .
8. Procédé de préparation selon l'une des revendications précédentes dans lequel la zone périphérique (13) présente, à l'issue de la troisième étape de rectification, une élévation maximale (M') qui est inférieure ou égale à l'élévation d'un plan moyen d'élévation (E) de la portion centrale (12).
9. Procédé de préparation selon l'une des revendications précédentes dans lequel le résidu (1') comprend une couche épaisse (la) de matériau disposé sur un support intermédiaire (lb).
10. Procédé de préparation selon la revendication précédente dans lequel le matériau de la couche épaisse (la) est un matériau ferroélectrique.
11. Procédé de préparation selon l'une des deux revendications précédentes dans lequel la couche épaisse (la) est assemblée au support intermédiaire par l'intermédiaire d'une couche d'un matériau adhésif.
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